Kühlung von Leistungelektronik optimieren Modul ganz cool

Hohe Integration macht die Entwärmung von Leistungselektronik-Modulen zu einer kniffligen Angelegenheit. Ein gemeinsames Projekt von fünf Unternehmen führte durch Simulation zu einem Befestigungs- und Entwärmungskonzept, das sich auch im anschließenden Praxistest bewährte.

Kühlung von Leistungelektronik optimieren

Hohe Integration macht die Entwärmung von Leistungselektronik-Modulen zu einer kniffligen Angelegenheit. Ein gemeinsames Projekt von fünf Unternehmen führte durch Simulation zu einem Befestigungs- und Entwärmungskonzept, das sich auch im anschließenden Praxistest bewährte.

Der Einsatz hoch integrierter Halbleiter-Bauelemente in der Leistungselektronik nimmt deutlich zu. Für eine optimale Kühlsituation ist bei der Systementwicklung eine Gesamtbetrachtung des thermisch-mechanischen Verhaltens von Leistungsmodulen samt ihrer Einbindung in der Peripherie erforderlich. Lokal auftretende hohe Verlustleistungsdichten führen zu thermisch induzierten Verformungen der Bauelemente, die eine Änderung der Form der Auflagefläche bewirken. Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf den die Entwärmung beeinflussenden thermischen Kontakt. Der thermische Kontakt wird maßgeblich vom elektrischen Betriebspunkt, von der Modul-Geometrie, von der Modul- Montage auf dem Kühlkörper sowie von den im Modul verwendeten Materialien beeinflusst. Für die Gewährleistung der sicheren Funktion der Bauelemente ist es erforderlich, den thermischen Gesamtübergangswiderstand von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke zu minimieren. Ein Gemeinschaftsprojekt der Unternehmen Ixys Semiconductor, Kunze Folien, Isko engineers, ServiceForce und Konstruktionsbüro E. Nagy erreichte dieses Ziel; die Vorgehensweise und Ergebnisse sind in diesem Beitrag beschrieben.

Die »ISOPLUS DIL«-Bauform mit DCB-Substrat und darauf verlöteten Halbleitern bietet die Möglichkeit, verschiedene Schaltungstopologien anwenderspezifisch zu realisieren. Mit ihrer elektrischen Isolationsfähigkeit bei gleichzeitig sehr niedrigem thermischen Widerstand Rth(junction-case) gestattet die DCB damit den Einsatz optimierter Interface-Materialien ohne elektrische Isolationseigenschaft zwischen Modulboden und Kühlkörper. Damit ergeben sich Vorteile für den thermischen Pfad. Die Leistungsdaten der Module der GWMSerie (VDSS 40 V bis 75 V, ID 145 A bis 95 A bei TC = 90 °C mit RDS(on) 2,0 mΩ bis 3,7 mΩ) machen deutlich, dass es für ihre Funktionssicherheit vor allem auf die Kühlung ankommt. Für die Simulation bereiteten die Spezialisten die 3D-CAD-Daten auf und ermittelten die Materialdaten der einzelnen Komponenten. Ausgehend von den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten des Moduls wurde eine Optimierung der Vorkrümmung des Modulbodens notwendig. Grundlage hierfür waren die zusammen mit dem thermischen Widerstand der Simulation experimentell überprüften Ergebnisse der Simulation.

Die Vorgehensweise bei der sequenziell gekoppelten Simulation zeigt der in Bild 2 dargestellte Prozessablauf, bei dem der Austausch strömungs- und thermisch-mechanisch simulierter Daten stattfindet. Für die integrierte FE-Simulation von Modul und Federklammer wurde die konvexe Wölbung des Modulbodens auf ca. 40 µm eingestellt und das thermisch-mechanische Verhalten des Moduls unter Erwärmung durch Verlustleistung simuliert. Gleichzeitig erfolgte die Entwicklung einer Federklammer für das Gehäuse unter Berücksichtigung des thermisch-mechanischen Verhaltens des Moduls für die Modul-Befestigung. Angriffspunkte und Anpresskraft der Federklammer waren so einzustellen, dass unter Last keine verformungsbedingte Erhöhung des Wärmewiderstandes zwischen Modul und Kühlkörper eintritt. Dabei mussten die mechanischen Spannungen von Klammer und Gehäuse deutlich unterhalb der jeweiligen Bruchgrenzen liegen.

Folgende Lasten und Randbedingungen waren vorgegeben:

  • Nennverlustleistung pro Trench-FET (stationärer Zustand im Nennbetrieb),
  • homogene Verteilung über der Trench-FET-Oberfläche,
  • Temperaturen der Modul-Umgebung (bei Nennverlustleistung) im Bereich des Kühlkörpers 105 °C, im restlichen Modulgehäusebereich 70 °C.

Für die Summe der Wärmewiderstände der Wärmeleitfolie und des Kühlkörpers mit Zwangskühlung ergab sich ein notwendiger thermischer Gesamtwiderstand von 0,13 K/W.

Zunächst erfolgte eine thermisch-mechanische Analyse des Moduls mittels eines FE-Modells, bestehend aus den Bauteilen Modul, Kühlkörper und Klammer. Um Einflüsse der Bauteilsteifigkeiten auszuschließen, ersetzten im aus Volumen-Elementen aufgebauten Modell ideal starre Platten Kühlkörper und Klammer (Bild 3). Zur Ermittlung der richtigen Federkraft für exakte Planarität des Modulbodens ist nur die Steifigkeit des Moduls maßgeblich. Die FE-Analyse umfasste folgende Schritte:

  • Bestimmung der Modul-Vorverformung durch die Fertigung mittels FE-Simulation und Abgleich mit dem Messwert für die Wölbung des Modulbodens.
  • Thermische Belastung des Moduls zur Ermittlung der Temperaturverteilung und seiner Verformung.
  • Ermittlung der Klammer-Anpresskraft für ein planes Aufliegen des Moduls bei thermischer Last.